PLC在注塑机控制中的应用——王清

目录  1课题要求    1 2 注塑机控制工艺分析    2 2.1 注塑机控制过程描述    2 2.2 注塑机控制工作流程分析    3 3 控制系统总体方案设计    5 3.1 PLC的介绍    5 3.2 PLC选型的及原则    5 3.3 I/O分配    7 3.4 系统外部接线图设计    9 4 控制系统梯形图程序设计    10 4.1 控制程序功能流程图    10 4.2 注塑机控制系统PLC梯形图    12 5 人机界面介绍——组态王    13 5.1组态王    13 5.2画面制作与设计    14 6 课程设计心得    17 参考文献    18 附录    19 引言 注塑机是目前广泛应用的高分子材料加工机械，目前在国内大量使用的注塑机基本上是采用机械或液压驱动的，控制系统大多采用触点继电器逻辑控制电路，这种控制系统的最大的弊端是控制系统自动化程度不高、精度较低、生产效率较低。采用硬件PLC的控制系统虽然能够实现各种控制功能，由于每个厂家的硬件专有性，封闭性使的用户升级和改造困难。随着自动化和计算机技术的发展，利用计算机的软硬件资源，通过软件可以实现硬件PLC的功能，并能实现精确的电子齿轮和电子凸轮的高精度同步运动控制，即软件PLC技术。 中国注塑机中国注塑机产量已占全球三分之二 经过50年的发展，我国塑料机械行业走过了从无到有、从小到大、从默默无闻到举世瞩目的历程。注塑机是我国塑料机械行业的第一大类产品，注塑机的发展一直受到世界塑料机械行业的赞叹。目前，我国注塑机的发展呈现出七大亮点： （1）注塑机产值在我国塑机行业中位居第一，塑料机械的三大类产品依次是注塑机、挤出机和吹塑机，它们占塑料机械总产值的80%以上，其中注塑机又占以上三大类品种总产值的50%以上； （2）注塑机的年产量位居世界第一，2006年，世界注塑机的年产量为91480台，而我国大陆的注塑机产量为57600台，占世界注塑机年产量的62.97%，其中，我国宁波地区的注塑机年产量约为世界年产量的1/3，是世界上最大的注塑机生产基地； （3）注塑机的年总产值位居世界第三，位居第一的是欧洲，位居第二的是日本； （4）注塑机成为我国塑料机械出口的第一品种，2006年，我国注塑机出口额为塑料机械出口总额的54%，是塑料机械出口的主力军； （5）注塑机产业的发展速度位居行业首位，进入新世纪以来，我国塑机行业年平均增长率达到20%以上，而注塑机的发展速度在行业内一直遥遥领先； （6）注塑机的技术水平与发达国家的差距最小，由于加快了科技创新步伐，进一步增强了自主创新的能力，与发达国家相比，我国注塑机的大部分产品己达到了80年代中末期水平，少量产品接近90年代水平，某些产品已经处于国际领先地位； （7）注塑机产业实现了中国名牌产品“零”的突破，我国塑料机械行业首次捧回4块“中国名牌产品”奖牌，其中，注塑机产品获得了3块奖牌。 注塑机在中国发展前景广阔，就全球市场格局而言，全球建筑市场的持续发展，将会拉动对塑料管材、壁板等挤压制品的需求，进而推动挤出设备的需求增长。 1 课题要求 注塑机又名注射成型机或注射机。它是将热塑性塑料或热固性料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备。注塑机按照注射装置和锁模装置的排列方式，可分为立式、卧式和立卧复合式。 注塑机是塑料加工行业中的主要设备，能加工各种热塑性或热固性塑料。注塑机通常由闭模和注模两大部分组成，颗粒状原料经过柱塞或螺杆压入料筒，加热融化后，在一定的注射速度和压力下，注射到模具内。经保压后凝固成所需要得塑料制成。 注塑机是塑料加工业中使用量最大的加工机械，不仅有大量的产品可用注塑机直接生产，而且还是组成注拉吹工艺的关键设备。中国已成为世界塑机台件生产的第一大国，促进中国注塑机设备制造业发展的原因在于：一是与国际著名企业进行合资及技术合作；二是中国企业逐渐适应了机械零部件的国际釆购方式，掌握了釆购渠道。同时，我国注塑机的生产还呈现出很强的区域特色，浙江的宁波和广东的东莞等地，已成为我国乃至全球重要的注塑机生产基地。 本设计采用的控制系统为可编程控制系统，即plc控制系统。可编程控制器简称plc机，是采用微处理器控制、可执行逻辑判断、定时、计数、记忆等功能，并具有高可靠性的输入输出电压，能直接应用与工业环境中的通用自动控制设备。时至今日，plc已拥有门类齐全的各种模块和强大的网络通讯能力，其控制范围有单机自动化、简单生产过程直至大型集散系统，可以覆盖现代工业的各种应用领域，满足绝大部分受控对象的不同控制要求。 2 注塑机控制工艺流程分析 2.1 注塑机控制过程描述 注塑机是塑料加工行业的主要设备，能加工各种热塑性或热固性塑料。注塑机控制系统是整机的一个重要部分，其性能的优劣对整机有着至关重要的影响，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（可编程控制器）不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理的功能，真正成为一种计算机工业控制装置。PLC的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，所以在工业发达国家，PLC在其自动化设备中的比例占首位。近年来，我国的PLC技术也从初期的引进、消化走向吸收和推广应用阶段，并且在许多工业领域取得了良好的经济效益和社会效益。 在以往国内的注塑机控制系统中，主要存在三种控制类型： （1） 继电器控制 （2） 单片机控制 （3） PLC控制 在现代控制系统中，前两种方法因其自身的局限性，多不采用。而多是采用PLC控制系统，这是一种工业控制机，具有抗干扰能力强，工作可行性高，平均无故障时间长，可在恶劣环境下正常工作，并可与计算机联网运行。此外，PLC系统还可大大缩短系统的设计，加快工作进度。在本次设计中我们采用了可编程控制系统。 注塑机控制通常指的是电液控制，即由液压和电气控制部分组成。注塑机的控制系统是保证注塑机按工艺过程规定的要求（压力、速度、温度、时间等）和动作程序，准确有效地工作的控制系统。目前注塑机的发展主要集中在： （1） 提高制品尺寸精度和稳定性 （2） 提高速度、缩短成型周期 （3） 生产过程的自动化和省力 但所采用的技术手段，都离不开以计算机技术为基础的自控技术。因此，注塑机的控制成为目前注塑机发展中一个很重要的，主要包括动作程序控制（如开闭模、注射、保压等）和过程程序控制（例如，注射过程的速度和压力程序控制等）两个方面。 2.2 注塑机控制工作流程分析 注塑机生产一个产品一般要经过闭模、合闸、稳压、整进、注射、保压、预塑、解压、开闸、起模、顶出产品等工序。这些动作的完成均由电磁阀控制液压回路来完成。注塑机的工作方式有手动和自动循环两种形式。其自动循环时的工艺流程如图所示。从图中可以看出，注塑机的控制过程是顺序控制。它的工作是从闭模开始一步一步有条不紊进行的，每个工步执行指令使电磁阀动作，用行程开关和工艺过程时间来判断每一步是否完成，且只有当前一个工步完成后才能进入下一工步。也就是说，下一步的接通条件取决于上一步的逻辑结果以及附加在这一步上的条件。除了自动工作方式之外，为了方便设备的调整及单件产品生产，注塑机还设有手动工作方式。所谓手动，是为注塑机的每一个工步都设置一个按钮，当某个按钮按下时，机器就执行该按钮对应的工步动作。 图2-1 注塑工艺流程图 1、模具的开启（原位）与闭合 合模时：电磁铁得电后，合模油缸油路接通，在油压的推动下模具闭合。 开模时：电磁铁失电后，开模油缸油路接通，在油压的推动下模具打开。 2、注射座的整进与整退 注射座整进时：电磁铁得电后，注射座在油压的推动下前进到位，注射座射进完成接近开关工作。 注射座整退时：电磁铁失电后，注射座退回到原始位置，注射座射退完成接近开关工作3、注料杆的射进。 注塑电磁铁得电后，注料杆在油压的推动下，把料筒内的融好的原料快速压入模具，挤压完成后并保持一段时间（保压），使模具内的塑料不会回流。 4、预塑液压马达的动作 预塑电磁阀得电，预塑液压马达开始工作，带动注塑螺杠旋转，使原料不断的向前输送，螺杠则在压力的作用下后退并计量，当后退到一定位置时，限位开关动作，预塑完成。 5、顶杠的顶出与复位 顶出电磁阀得电后，顶杠在油压的推动下将模具内的产品顶出。 6、保模时间 高温原材料挤入模具后，需要在模具中冷却一段时间，让其基本成型后才能打开模具，这一段时间为保模时间。由于产品的大小和原材料的性质的不同，不同产品的保模时间有所不同，这就要求保模时间长短可以调整。 3 控制系统总体方案设计 3.1 PLC的介绍 PlC即可编程控制器是以计算机技术为基础的新型工作控制装置。PLC具有可靠性高，抗干扰能力强、灵活性强，控制系统具有良好的柔性、编程简单，使用方便、控制系统易于实现，开发工作量少，周期短、维修方便、体积小，能耗低、功能强，性价比高等特点而受到广泛的应用。随着PLC的飞速发展，PLC产品的种类越来越多，而功能也日趋完善。PLC的种类繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。 3.2 PLC选型的方法及原则 机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述： 1、结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC；否则，选用模块式结构的PLC。 2、功能强弱适当 对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用抵挡的PLC。 对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档机的PLC。 对于控制比较复杂、控制要求比较高的工程项目，如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂程度的程度，选用中档机或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。当系统的各个控制对象分布在不同地域时，应根据各个部分的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。 3、机型统一 PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块印刷电路板上，并封装在一个壳体内，省去了插接环节，因此体积小、价格便宜。但由于整体式结构的PLC功能有限，只适合于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块式结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。 4、是否在线编程 PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。 5、PLC的环境适应性 由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑，要根据具体的情况进行合理的选择。 6、PLC容量选择 PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数；二是用户存储器的容量（字数）。容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%～25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量乘以8；对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。  I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格较高，若备用的I/O的点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%～15%考虑备用量。 3.3 I/O分配 PLC平均的I/O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少，但必须有一定的裕量。 通常I/O的点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，在加上10%~15%的裕量来确定。 PLC的I/O点数的多少，在很大程度上反映了PLC系统功能的要求，因此可在I/O点数确定的基础上，按下式估算存储量后，再加上20%~30%的裕量。 存储量（字节）=开关量I/O点数×10+模拟量I/O通道道数×100 一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等，其电路和功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应根据需要加以选择。本设计选用开关量。 输入设备——用以产生输入控制信号（如按钮、指令开关、限位开关、接近开关、传感器等）。本系统中包括按钮开关14个,限位开关10个。 输出设备——由PLC的输出信号驱动的执行元件，如继电器、接触器、电磁阀、指示灯等。该系统中有中间继电器5个，电磁阀11个。 分配I/O地址时要注意以下问题： （1） 设备I/O地址尽可能连续； （2） 相邻设备I/O地址尽可能连续； （3） 输入/输出I/O地址分开； （4） 每一框架I/O地址不要全部占满，要留有一定的余量，便于系统扩展和工艺流程的改，但不宜保留太多，否则会增加系统成本； （5） 充分考虑控制柜与控制柜之间、框架与框架之间、模块与模块之间的信号联系，合理地安排I/O地址，减少它们之间的内部连线。 输入 输出 元件符号 名称 输入 元件符号 名称 输出 SB1 手动按钮 2.00 YV1 闭模电磁阀 1.00 SB2 自动按钮 0.00 YV2 合闸电磁阀 1.01 SB3 闭模按钮 2.01 YV3 稳压电磁阀 1.02 SB4 合闸按钮 2.02 YV4 整进电磁阀 1.03 SB5 稳压按钮 2.03 YV5 注射电磁阀 1.04 SB6 整进按钮 2.04 YV6 预塑电磁阀 1.05 SB7 注射按钮 2.05 YV7 解压电磁阀 1.06 SB8 保压按钮 2.06 YV8 开闸电磁阀 1.07 SB9 预塑按钮 2.07 YV9 起模电磁阀 1.08 SB10 解压按钮 2.08 YV10 顶出电磁阀 1.09 SB11 开闸按钮 2.09 YV11 整退电磁阀 1.10 SB12 起模按钮 2.10       SB13 顶出按钮 2.11       SB14 整退按钮 2.12       SQ1 闭模限位开关 0.01       SQ2 合闸限位开关 0.02       SQ3 整进限位开关 0.03       SQ4 注射限位开关 0.04       SQ5 预塑限位开关 0.05       SQ6 开闸限位开关 0.06       SQ7 起模限位开关 0.07       SQ8 顶出限位开关 0.08       SQ9 整退限位开关 0.09       SQ10 压力传感器 0.10                   表3-1  I/O分配表 3.4 外部接线图 如图3-2所示是注塑机的外部接线图，反映了注塑机的外部电路。 图3-2  注塑机的外部接线图 4 控制系统梯形图程序设计 4.1 控制程序功能流程图 根据自动控制部分功能图绘制注塑机的自动控制梯形图 图4-1 注塑机自动循环运行功能图 根据手动控制部分功能图绘制注塑机的手动控制梯形图 图4-2 注塑机手动控制功能图 4.2 注塑机控制系统PLC梯形图 使用欧姆龙PLC编程软件CX-Programmer，设计梯形图。根据注塑机的控制流程图、I/O配置图及分配表得出该机的各个工作过程：在各输入信号及各时间控制的先后作用下，按照各自工况运行的顺序，各执行机构自动有序地依次工作。如按照该机的中间继电器的控制线路来编制PLC控制梯 形图，既繁琐复杂，又给PLC的程序编制带来一定的难度，所以对该机PLC控制系统选用SFC（顺序功能图）的程序设计方法，可以很容易编制程序，达到合理安全的控制目的。 1、选择PLC型号 图4-3 PLC选择CJ1M 2、编写自动控制过程梯形图（附录） 3、编写手动控制过程梯形图（附录） 5 人机界面介绍——组态王 5.1组态王 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态软件的功能和特点可归纳如下：概念简单，易于理解和使用；功能齐全，便于方案设计；实时性与并行处理；建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行；利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面；引入“运行策略”的概念。 组态王具有以下几个方面的特点：可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接；无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印；变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间；强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存。强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理；全新的Web Server架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布；方便的处理功能。丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块。提供硬加密及软授权两种授权方式。 5.2画面制作与设计 5.2.1 建立新工程 首先，我们来做组态的第一步，即启动组态王软件的工程管理器。在菜单中点击“新建”弹出对话框。 在“新建”完成以后，单击“下一步”进行下一个步骤，则会出现“新建工程向导之二”对话框，。在图中可以看出需要填写工程名称和工程描述，这些要根据设计的具体要求来填写，并且要选择合适的路径。 在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”。 在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。 点击“完成”，此时就完成了一个新工程的建立。 5.2.2 创建组态画面 建立新工程后便进入组态王开发系统，进入开发系统可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成静态或者动态画面，并且它们之间是互相关的。“组态王”的编程技术是采用面向对象的方法，它可以使用户方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像我们儿时玩搭积木那样，利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。 新画面的建立，进入新建的组态王工程，选中工程浏览器左侧的画面，在右侧双击新建按钮，则弹出对话框。 图中有“画面名称”的对话框，在此对话框中处输入新的画面名称，然后点击“确定”按钮，即进入内嵌的组态王画面开发系统。完成以上的设置操作后就完成了一个新画面的创建，我们就可以在新画面里面进行系统画面的设计。 在系统画面中有工具箱，工具箱有许多的图形，我们可以方便地选定各种现有图形，另外如果工具箱内没有你想要的图形你还可以用绘图工具绘制各种图形、添加文本、调剂颜色等操作。根据注塑机的设计要求，画出本系统工作所需要各个图画，是整个设计的组态更加完美。 5.2.3 定义I/O设备 定义I/O设备是一个重要的环节，首先映入眼帘的是工程浏览器，在工程浏览器中选择左侧大纲项“设备\COM1”，上一步完成以后，就可以在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，就会出现“设备配置向导”的界面。下面就是对其进行设定了。 看到界面后会发现是让我们PLC，当选择PLC后，会出现一系列生产厂家，如西门子，三菱、欧姆龙等。本次设计的要求是运用欧姆龙的PLC来设计的，而我们学校的实验室里是欧姆龙SJ系列的PLC，根据本设计的要求与实验室设备具体条件相结合，我们选择欧姆龙SJ系列PLC，紧接着在其PLC下的选项中出现了自由口和PPI两个选项，即通信口描述。通信描述是我们选择PPI即可。如图5-4所示对话框。 画面上出现了COM1和COM2可供选择，我们选择COM1即可符合本设计和实验室设备要求。再次单击“下一步”既进入下一步设置。在地址的选择时，我们选择地址为“2”。单击“下一步”。此步骤选择系统默认的值就可以满足注塑机组态的要求，单击“下一步”进入设备配置参数信息。检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。 设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC”。需要检测外部输入量是否与PLC相连时，只用双击该设备，在弹出的对话框中选择测试PLC即可。至于新建的设备相当于一个中间装置，它将实物PLC与自己建造的变量联系起来，相当于把程序与界面联系了起来，为以后的控制做好了准备。 5.2.4 构造数据库 构造数据库是决定了本次设计的动作步骤和动作对象。是组态的关键一步。根据组态画面的需要和设计要求，需要定义不同的变量。 定义变量的设定如图5-5所示。我们以定义“启动”这个变量为例来说明，从图中的变量名称中输入“启动”，在变量类型中选择“I/O离散型”，连接设备中要选择的是“PLC”，寄存器选择“I0.0”，数据类型选择“Bit”，读写属性中选择只读。 当然对于不同的变量的选择也是不同的，要根据不同的变量来选择相应的选项。例如在设置模时我们不能再变量类型中选择“I/O离散型”了，而是要选择“变量整型”，读写属性中也不能选择“只读”，而是要选择“读写”的选项。对变量都定义了以后，即完成了数据库的构建。 5.2.5 画面命令语言 组态的画面要想动起来必须要设置画面命令语言，命令语言决定了组态动作的步骤和速度。是组态的关键步骤之一。在编写命令语言时要认真学习命令语言的编写规则，这样才能编写出了的命令语言才准确无误，符合要求。另外，在画面命令语言画面的右上侧有可以设置周期大小，周期的大小关系到组态画面的连贯性。 6 课程设计心得 课程设计是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了PLC工程设计的基本方法以及相关的注意事项，对于欧姆龙CPM1A系列PLC有了更深层次的认识。并加强了对于CX-Programmer编程软件的熟练操作。 在这学期的课程设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，同时在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。这对于我们的将来也有很大的帮助。 设计采用了软PLC技术，简化了硬件结构，使得开发的控制系统符合开发式体系结构的要求，系统的可扩展性、可靠性、可维护性大大提高，最重要的是实现了注射的高速高精度以及短周期循环。经过实践检验，本控制方案达到了预期的效果，具有十分广阔的应用前景。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关PLC控制方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我的动手实践能力有了很大的提升。 此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。 参考文献 [1] 曹菁.基于PLC和触摸屏的注塑机控制系统研究[J].测试与控制,2007. 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